4.2: Crecimiento de Silicio

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Sin embargo, para que podamos hacer esto, primero que nada necesitamos la “piedra”, así que veamos de dónde viene eso.

Comenzamos con una forma natural de silicio que es muy abundante (y relativamente pura); cuarcita o\(\mathrm{SiO}_{2}\) (arena). De hecho, el silicio es uno de los elementos más abundantes de la tierra. Esto se hace reaccionar en un horno con carbono (de coque y/o carbón) para hacer lo que se conoce como silicio de grado metalúrgico (MGS), que es aproximadamente 98% puro, a través de la reacción\[\mathrm{SiO}_{2} + 2 \mathrm{~C} \rightarrow \mathrm{Si} + 2 \mathrm{~CO}\]

Hemos visto que en el orden de\(10^{14}\) las impurezas se realizarán cambios importantes en el comportamiento eléctrico de una pieza de silicio. Dado que hay aproximadamente\(5 \times 10^{22} \mathrm{~atoms} / \mathrm{cm}^{3}\) en un cristal de silicio, esto significa que necesitamos una pureza mejor que\(1\) parte en\(10^{8}\), o 99.999999% de material puro. Así tenemos un largo camino por recorrer desde la pureza del MGS si queremos fabricar dispositivos electrónicos que podamos usar en silicio.

El silicio se tritura y se hace reaccionar con\(\mathrm{HCl}\) (gas) para hacer triclorosilane, un líquido de alta presión de vapor que hierve\(32 ^{\circ} \mathrm{C}\) como en:\[\mathrm{Si} + 3 \mathrm{~HCl} \ (\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{SiHCl}_{3} + 3 \mathrm{~HCl}\]

Muchas de las impurezas en el silicio (aluminio, hierro, fósforo, cromo, manganeso, titanio, vanadio y carbono) también reaccionan con el\(\mathrm{HCl}\), formando diversos cloruros. Una de las cosas buenas de los halógenos es que reaccionarán con casi cualquier cosa. Cada uno de estos cloruros tiene diferentes puntos de ebullición, y así, por destilación fraccionada, es posible separar la\(\mathrm{SiHCl}_{3}\) de la mayoría de las impurezas. El tricloroilano (puro) se hace reaccionar entonces con gas hidrógeno (nuevamente a una temperatura elevada) para formar silicio de grado electrónico puro (EGS). \[\mathrm{SiHCl}_{3} + \mathrm{H}_{2} \rightarrow 2 \mathrm{~Si} + 3 \mathrm{HCl}\]

Aunque el EGS es relativamente puro, se encuentra en una forma policristalina que no es adecuada para la fabricación de dispositivos. El siguiente paso en el proceso es cultivar silicio monocristalino que generalmente se realiza a través del método Czochralski (pronunciado “cha-krawl-ski”) para hacer lo que a veces se llama silicio CZ. El proceso de Czochralski implica fundir el EGS en un crisol, y luego insertar un cristal semilla en una varilla llamada extractor que luego se retira lentamente de la masa fundida. Si el gradiente de temperatura de la masa fundida se ajusta para que la temperatura de fusión/congelación esté justo en la interfaz semilla-fusión, una varilla continua de silicio de cristal único, llamada boule, crecerá a medida que se retire el extractor.

La figura\(\PageIndex{1}\) es un diagrama de cómo funciona el proceso de Czochralski. Todo el aparato debe estar encerrado en una atmósfera de argón para evitar que el oxígeno entre en el silicio. La varilla y el crisol se giran en direcciones opuestas para minimizar los efectos de la convección en la masa fundida. La tasa de extracción, la velocidad de rotación y el gradiente de temperatura deben optimizarse cuidadosamente para un diámetro de oblea y una dirección de crecimiento particulares. La <111>dirección (a lo largo de una diagonal de la estructura de celosía cúbica) generalmente se elige para las obleas que se utilizarán para dispositivos bipolares, mientras que la <100>dirección (a lo largo de uno de los lados del cubo) es favorecida para las aplicaciones MOS. Actualmente, las obleas suelen tener un diámetro de 6" o 8", aunque las obleas de 12" (300 milímetros) de diámetro se asoman en el horizonte.

Figura\(\PageIndex{1}\): Crecimiento de cristales de Czochralski

En una atmósfera de argón, un crisol de EGS fundido revestido con sílice fundida tiene un gradiente de temperatura de frío en la parte superior a caliente en la parte inferior aplicado. El crisol se gira a medida que se inserta una varilla extractora con un cristal semilla y luego se extrae para crear una bola de cristal de silicio en la varilla. — Figura\(\PageIndex{1}\): Crecimiento de cristales de Czochralski

Una vez que se cultiva el boule, se muele hasta un diámetro estándar (para que las obleas se puedan usar en máquinas de procesamiento automático) y se corta en obleas, como un salami. Las obleas están grabadas y pulidas, y pasan a la línea de proceso. Sin embargo, un punto a tener en cuenta es que debido a las pérdidas de “corte” (el ancho de la hoja de sierra) así como a las pérdidas de pulido, ¡más de la mitad del silicio monocristalino muy puro cuidadosamente cultivado se tira antes de que comience incluso el proceso de fabricación del circuito!